Badania mechaniczne materiałów kostnych

Wpływ leczenia oraz zmiany tkanki kostnej w osteoporozie.

Regeneracja kości stanowi poważne wyzwanie dla medycyny ortopedycznej, a protezy nie mogą być stosowane w każdym przypadku, ze względu na ograniczenia ruchowe pacjenta lub problemy biozgodności.

Analiza właściwości mechanicznych w nanoskali (Nanotwardościomierz), stosowana w przypadku kości i innych tkanek biologicznych, zmineralizowanych umożliwia nowe podejście do tematu i zrozumienie mechanizmów, które stoją za demineralizacją. Mikro i makroskopowe analizy mogą nie być wystarczająco czułe, aby zidentyfikować różnice między dwoma podobnymi próbkami. Dlatego też, badania w nanoskali są kluczowe dla charakteryzacji tych złożonych materiałów. Ponadto, metody w nanoskali są użyteczne, gdy objętość dostępnego materiału jest zbyt mała do analiz na większą skalę, na przykład w inżynierii tkankowej.

Badania twardości w skali nano koncentrowały się na różnicach m. in. w anizotropii, różnicach w wynikach ze względu na zawartość składników mineralnych, itd.

W celu oceny wpływu jakości wewnętrznej tkanki kostnej, na właściwości mechaniczne kości, testy nanotwardości zostały wykonane na kręgach w korze u dorosłych szczurów po manipulacjach diety i hormonalnych, które są znane z wpływu na wytrzymałość kości.

Technika ta ocenia zarówno twardość jak i sprężystość tkanki kostnej suchej oraz mokrej na dużej przestrzeni. Nanotwardościomierz okazał się być wiarygodnym istrumentem do oceny parametrów swoistych właściwości mechanicznych kości pojedynczej jednostki strukturalnej (BSU). Lokalne właściwości sprężyste jednostek konstrukcyjnych kości okazały się znacznie różnić między osobnikami, typami kości i orientacjami beleczek.

Wyniki tego badania wskazują, że oprócz geometrii i mikrostruktury, właściwości wewnętrznej tkanki kostnej mają bezpośrednie przełożenie na mechaniczne właściwości kręgosłupa szczura OVX po diecie o niskiej zawartości białka.

Wyniki z nanotwardościomierza: Krzywa siła-przemieszczenie testu nano twardości: obciążanie (1),pauza (2), odciążanie (3) wgłębnika. Trzecia część pokazuje powrót sprężysty materiału.

Badania w skali nano pozwalają ocenić właściwości mechaniczne tkanki kostnej. Technika ta rejestruje wartości siły oraz odkształcenia podczas wciskania wgłębnika w materiał. Powyżej przedstawiono uzyskaną krzywą, która składa się z trzech części. W części 1, wgłębnik jest obciążany na powierzchni próbki i wciskany, co powoduje odkształcenia.

Przy maksymalnej sile, obciążenie jest stałe/utrzymane, co prowadzi to do pełzania materiału poniżej wierzchołka wgłębnika. Gdy następuje zmniejszanie siły, sprężysta reakcja materiału jest wykrywana (część 3). Nachylenie krzywej w punkcie początkowym odciążania jest powiązane z właściwościami sprężystymi. Nachylenie krzywej odciążania:

Ma ono bezpośredni związek z obszarem kontaktu wgłębnika z próbką Ac (hmax) oraz zredukowanym modułem sprężystości Er. Powierzchnia kontaktu jest to rzutowany obszar styku wgłębnika i próbki i obliczany przez urządzenie z uwzględnieniem parametrów kalibracji.

Stosunek maksymalnej siły i powierzchni kontaktu daje drugi parametr mechaniczny, twardość:

Krzywa obciążenie-odciążenie ma wymiar pracy Wtot i pozwala na ocenę energii rozpraszanej podczas testu twardości.

Schematyczne przedstawienie zachowań sprężysto-plastycznych kości podczas pomiaru nano twardościomierzem.

Dla testów nano twardości, kręgów L5 ciała każdego szczura rozcięto na poziomie krążków międzykręgowych. Próbki kości trzymano zamrożone do czasu przygotowania do badań mechanicznych. Kręg cięto poprzecznie w środku około 8 mm wysokości korpusu. Próbki osadzono w PMMA oraz powierzchnia cięcia została polerowana 0,25 µm roztworem diamentu. Po wykonaniu tych kroków przygotowawczych, próbkę suszono przez 24 godzin w temperaturze 50 ° C.

Testy mechaniczne składały się z 9 pomiarów na powłoce korowej każdego trzonu kręgowego, trzy na tylnej, trzy na bocznych i trzy kolejne na przedniej stronie. W każdym miejscu, trzy pomiary przeprowadzono na okostnej, centralnej oraz śródkostnej macierzy kostnej. Maksymalna głębokość do 900 nm, przy stosowanej szybkości odkształcenia e=0,066 1/s. Przy maksymalnym obciążeniu ustawiono okres 5s pauzy. Limit maksymalnego dopuszczalnego dryfu termicznego ustawiono na 0,1 nm/s. Pomiary przeprowadzono w środku płytek. W tym badaniu badano tylko korowe kości, ponieważ zauważono znaczne pogorszenie i zniszczenie struktury beleczkowatej u szczurów OVX karmionych dietą o niskiej zawartości białka.

Schematyczne przedstawienie obszarów pomiaru.

Optyczny obraz mikrografii z pomiarów wgłębnikiem Berkovich.

Wyniki

Zmienność cech nano mechanicznych w korze kręgów ciała

Niejednorodność właściwości nano mechanicznych występująca w różnych miejscach kory, (tj. przedniej, tylnej i bocznej) oceniana była na podstawie grupy kontrolnej zwierząt. Dla wszystkich trzech parametrów mechanicznych niższe wartości wykryto na przedniej stronie próbek.

Wyniki makroskopowe w porównaniu do właściwości mechanicznych tkanek i masy kostnej

Dla korelacji między danymi nano mechanicznymi i badań makroskopowych, które zostały uzyskane przez osiowe ściśnięcie trzonu kręgowego, wzięto średnie wartości twardości i rozproszonej energii dla każdego szczura. Makroskopowa analiz uszkodzenia wykazała korelację energii (R2 = 0,6) z energią rozproszoną podczas pomiaru. Makroskopowa wytrzymałość skorelowana z twardością (R2 = 0,27) i sztywnością nie wykazywały korelacją ze swoistymi właściwościami sprężystymi.

Wyniki testów tylnej części trzonu kręgu dla wszystkich trzech “leczonych” grup.

Porównanie ściskania osiowego (stara metoda makroskopowa) i nano twardości (nowa metoda nanometryczna – Nano twardościomierz) są całkowicie wiarygodne, ale zastosowanie nano twardościomierzy daje więcej wyników zachowania tkanki w małej skali.

Porównanie testów ściskania osiowego i nano twardości grupy T.

Wniosek

W niniejszym badaniu wykazano heterogeniczność swoistych właściwości tkanki kręgu szczura, która wahała się w stosunku od diety białka. Niskie spożycie białka w połączeniu z suplementami niezbędnych aminokwasów skutkowało zmniejszeniem wartości nano mechanicznych. Wyniki te podkreślają zdolność techniki nano twardości do wykrywania zmian wywołanych manipulacjami odżywczymi i hormonalnymi. Korelacje pomiędzy makroskopowymi wynikami wartości mechanicznych ocenianymi poprzez osiowe ściskanie kręgów i badaniami w skali nano tkanek sugerują, że właściwości makroskopowe zmieniające się silnie wraz z niestabilnością materiału wykrywane są na poziomie tkankowym. Sztywność makroskopowa jednak została zdominowana przez zmiany geometrii kości, a mniej przez zmiany właściwości tkanek, co pokazują pomiary nano twardości. Inne zmineralizowane materiały biologiczne, takie jak zębiny, szkliwa i zwapnienia chrząstek mogą być badane za pomocą techniki nano twardości.

Autorzy

Gregory Favaro, Anton Paar

Jill Powell, CSM Inc

Dr Patrick Ammann, Uni. Hospital of Geneva

Zapraszamy do zapoznania się z ofertą produktów do badań mechanicznych.